muduo源码阅读：linux timefd定时器

⭐timerfd

timerfd 是Linux一个定时器接口，它基于文件描述符工作，并通过该文件描述符的可读事件进行超时通知。可以方便地与select、poll和epoll等I/O多路复用机制集成，从而在没有处理事件时阻塞程序执行，实现高效的零轮询编程模型。

🟠timerfd_create

创建一个新的定时器对象，并返回一个与其关联的文件描述符。

#include <sys/timerfd.h>
int timerfd_create(int clockid,int flags);

clockid：定时器所依据的时间基准。

CLOCK_REALTIME/CLOCK_MONOTONIC(含义见下文)。

flags：控制定时器文件描述符的行为，可以是0或多个以下标志通过位或(|)组合而成：

TFD_NONBLOCK: 设置为非阻塞模式，使得读取操作立即返回而不是等待直到有数据可读。

TFD_CLOEXEC: 设置执行新程序时自动关闭文件描述符的标志，这可以防止子进程中继承不必要的文件描述符（子进程不继承父进程的定时器文件描述符）。

系统实时时间 (CLOCK_REALTIME)

系统实时时间指的是从一个固定的时间点（通常是1970年1月1日UTC，也称为Unix纪元）到现在的总时间。这个时间是可以通过系统设置或网络时间协议（NTP）进行调整。

使用 CLOCK_REALTIME 获取的时间可以被操作系统或其他软件手动更改，例如当系统管理员手动调整系统时钟或自动同步时间时。如果应用程序依赖于 CLOCK_REALTIME 来计算事件之间的时间差，那么这些计算可能会因为系统时间的突然跳跃变得不准确。

单调递增的时间 (CLOCK_MONOTONIC)

单调递增的时间通常是从系统启动时开始计数，并且会持续增加直到系统关闭。与CLOCK_REALTIME 不同的是，CLOCK_MONOTONIC 不受系统时间的手动调整或自动同步的影响。

使用 CLOCK_MONOTONIC 可以确保获得的时间值总是向前移动，不会出现向后跳跃的情况。因此，它非常适合用来测量时间段。

🟠timerfd_settime

启动或停止由timerfd_create创建的定时器，并可以设置其初始时间和间隔时间。

#include <sys/timerfd.h>
int timerfd_settime(int ufd, int flags, 
                    const struct itimerspec *new_value, 
                    struct itimerspec *old_value);

ufd: 由timerfd_create返回的文件描述符。

flags: 设置为0表示相对定时器，即从当前时间开始计时；设置为TFD_TIMER_ABSTIME则表示绝对定时器，即按照指定的时间点来触发。

new_value：指向包含初始到期时间和后续间隔时间的结构体指针。

old_value： 如果不为NULL，则指向一个用于接收旧的定时器值的结构体。

返回值：成功时返回0；失败时返回-1并设置相应的错误号。

struct timespec{
       time_t tv_sec;                /* Seconds */
       long   tv_nsec;               /* Nanoseconds */
};
struct itimerspec {
       struct timespec it_interval;  /* Interval for periodic timer */
       struct timespec it_value;     /* Initial expiration */
};

it_value是首次超时时间，需要填写从clock_gettime获取的时间，并加上要超时的时间。 it_interval是后续周期性超时时间，是多少时间就填写多少。注意一个容易犯错的地方：tv_nsec加上去后一定要判断是否超出1000000000(如果超过要秒加一)，否则会设置失败。

🟠clock_gettime

#include <time.h>
int clock_gettime(clockid_t clk_id, struct timespec *tp);

clockid_t clk_id 是时钟 ID，常用的选项包括 CLOCK_REALTIME 和 CLOCK_MONOTONIC。

CLOCK_REALTIME 提供的是系统实时时间，可能会因为系统时间调整而发生跳跃。
CLOCK_MONOTONIC 提供单调递增的时间，适合用于测量时间间隔。
struct timespec *tp 是一个指向 timespec 结构体的指针，用于存储获取到的时间信息。

第三个参数设置超时时间，如果为0则表示停止定时器。定时器设置超时方法：

设置超时时间是需要调用clock_gettime获取当前时间，如果是绝对定时器，那么需要获取CLOCK_REALTIME，在加上要超时的时间。如果是相对定时器，要获取CLOCK_MONOTONIC时间。

定时器代码实例：

#define _GNU_SOURCE
#include<sys/timerfd.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<time.h>
void print_itimerspec(struct itimerspec *new_value) {
    printf("Initial expiration: sec: %ld nsec: %ld\n", new_value->it_value.tv_sec, new_value->it_value.tv_nsec);
    printf("Interval: sec: %ld nsec: %ld\n", new_value->it_value.it_interval.tv_sec, new_value->it_value.it_interval.tv_nsec);
}
int main() {
    struct itimerspec new_value;
    int tfd;
    //创建一个新的定时器对象
    tfd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0);
    if (tfd == -1) {
        perror("timerfd_create");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //设置定时器参数
    //首次超时时间为3秒后
    new_value.it_value.tv_sec = 3;
    new_value.it_value.tv_nsec = 0;
    // 后续每隔2秒触发一次
    new_value.it_interval.tv_sec = 2;
    new_value.it_interval.tv_nsec = 0;
    print_itimerspec(&new_value);
    // 启动定时器
    if (timerfd_settime(tfd, 0, &new_value, NULL) == -1) {
        perror("timerfd_settime");
        close(tfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    // 循环读取定时器事件
    uint64_t exp;
    ssize_t s;
    while((s = read(tfd, &exp, sizeof(uint64_t))) != sizeof(uint64_t)) {
        if (s != -1) {
            fprintf(stderr, "Error reading timerfd\n");
            break;
        }
        if (errno == EINTR)
            continue;
        perror("read");
        break;
    }
    printf("Timer expired %llu times\n", exp);
    close(tfd);
    return 0;
}

read函数可以读timerfd，读的内容为uint_64，表示超时次数。

❓补充：什么是零轮询编程模型？

零轮询编程模型是一种高效处理I/O操作的方法，旨在避免传统轮询（polling）带来的CPU资源浪费。

传统的轮询会周期性地检查I/O设备是否准备好进行数据传输，可能导致大量的CPU时间被消耗在无意义的检查上。

相比之下，零轮询编程模型利用了操作系统提供的机制(select/poll/epoll等)，允许程序在等待I/O事件时进入阻塞状态，即不占用CPU资源，直到有实际的I/O事件发生才会唤醒程序进行处理。这种模型通过减少或消除不必要的检查循环。

❓补充：timerfd、eventfd、signalfd分别有什么用？

timerfd、eventfd、signalfd配合epoll使用的场景,共同工作以实现一个不需要主动轮询的环境。

timerfd 提供了一个基于文件描述符的定时器接口，可以通过文件描述符的可读事件来通知超时。

eventfd 是一种用于进程间或线程间事件通知的机制，它提供了一个文件描述符，可以用来执行简单的事件计数。

signalfd 允许信号的接收通过文件描述符进行，这样就可以将信号处理集成到文件描述符的多路复用中。

epoll 则是一个I/O多路复用的接口，能够监控大量文件描述符的集合，当某个文件描述符准备好进行I/O操作时，就返回通知给应用程序。

❓补充：把定时器文件描述符设置为非阻塞模式和阻塞模式有什么区别，举例说明?和select/poll/epoll集成时，应该设置为阻塞还是非阻塞？为什么？

（1）非阻塞模式与阻塞模式的区别

非阻塞模式（通过设置 TFD_NONBLOCK 标志）：当尝试从一个非阻塞的定时器文件描述符读取数据时，如果当前没有定时器到期事件可供读取，read 调用会立即返回。程序可以在不等待I/O操作完成的情况下继续执行其他任务。

阻塞模式：在默认情况下（即未设置 TFD_NONBLOCK），对定时器文件描述符进行读操作时，如果当前没有定时器到期事件可供读取，调用线程会被挂起，直到有数据可读为止。这允许程序在等待I/O操作完成期间节省CPU资源，但同时也会导致线程暂时不可用于处理其他任务。

❓和 select/poll/epoll 集成时的选择

在使用 select、poll 或 epoll 等机制管理多个文件描述符时，推荐将定时器文件描述符设置为 非阻塞模式。

因为这些机制本身已经提供了等待I/O就绪的功能。当将文件描述符设置为非阻塞模式时，可以避免在轮询中出现不必要的阻塞。例如使用 epoll 监控定时器文件描述符，当定时器到期时，epoll_wait 返回，由于定时器文件描述符处于非阻塞模式，可以立即尝试读取而不担心阻塞问题，然后根据需要执行相应的处理逻辑。这样确保应用能够高效地响应各种I/O事件，不会因为某个特定的操作被阻塞而导致整体性能下降（具体解释看补充问题）

❓补充：如果定时器文件描述符设置为阻塞模式会发生什么情况？

当定时器文件描述符使用阻塞模式，并使用epoll监听时，可能会导致应用程序在处理定时器事件时被阻塞，进而影响整体性能，使其他I/O事件无法及时得到处理。

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/epoll.h> 
#include <time.h> 
#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 
#define MAX_EVENTS 10 
int main() { 
    int epoll_fd = epoll_create1(0); 
    if (epoll_fd == -1) { 
        perror("epoll_create1"); 
        return 1; 
    } 
    // 创建定时器文件描述符 
    int timer_fd = timerfd_create(CLOCK_MONOTONIC, 0); 
    if (timer_fd == -1) { 
        perror("timerfd_create"); 
        return 1; 
    } 
    // 设置定时器 
    struct itimerspec new_value; 
    new_value.it_interval.tv_sec  = 5; 
    new_value.it_interval.tv_nsec  = 0; 
    new_value.it_value.tv_sec  = 5; 
    new_value.it_value.tv_nsec  = 0; 
    if (timerfd_settime(timer_fd, 0, &new_value, NULL) == -1) { 
        perror("timerfd_settime"); 
        return 1; 
    } 
    // 将定时器文件描述符添加到epoll实例中 
    struct epoll_event ev, events[MAX_EVENTS]; 
    ev.events  = EPOLLIN; 
    ev.data.fd  = timer_fd; 
    if (epoll_ctl(epoll_fd, EPOLL_CTL_ADD, timer_fd, &ev) == -1) { 
        perror("epoll_ctl: timer_fd"); 
        return 1; 
    } 
    while (1) { 
        int nfds = epoll_wait(epoll_fd, events, MAX_EVENTS, -1); 
        if (nfds == -1) { 
            perror("epoll_wait"); 
            return 1; 
        } 
        for (int i = 0; i < nfds; i++) { 
            if (events[i].data.fd  == timer_fd) { 
                // 由于定时器文件描述符是阻塞模式，这里可能会阻塞 
                uint64_t expirations; 
                ssize_t s = read(timer_fd, &expirations, sizeof(uint64_t)); 
                if (s!= sizeof(uint64_t)) { 
                    perror("read"); 
                    return 1; 
                } 
                printf("Timer expired %lu times\n", expirations); 
            } 
        } 
    } 
   close(timer_fd); 
   close(epoll_fd); 
   return 0; 
} 

阻塞模式下，当对定时器文件描述符执行read或write等操作时，如果操作不能立即完成，进程会进入睡眠状态，等待操作条件满足。这就导致应用程序在这个操作上被阻塞，无法继续执行后续代码，包括处理其他I/O事件。

在Linux内核中，每个文件描述符都有一个对应的文件对象，文件对象中包含了与该文件描述符相关的操作函数集合。对于定时器文件描述符，当执行read操作时，内核会检查定时器的状态和相关的缓冲区。如果缓冲区没有数据，内核会将当前进程加入到等待队列中，并将进程状态设置为睡眠状态，直到定时器到期并产生数据，或者发生其他可以满足read操作的条件。这种机制是为了确保read操作能够正确完成，但在多I/O事件处理的场景下，会导致其他 I/O 事件延迟处理：主线程或事件循环被挂起，网络套接字、文件操作等事件无法及时响应。

❓上一个问题的补充：为什么要使用read读取定时器的内核缓冲区？为什么数据会存在定时器的内核缓冲区？

定时器文件描述符为何需要 read 操作？

内核缓冲区的数据来源

定时器文件描述符（如 Linux 的 timerfd）通过 timerfd_create 创建时，内核会为其维护一个计数器缓冲区。当定时器到期时，内核会向该缓冲区写入一个 8 字节的无符号整数，表示自上次读取后定时器触发的次数。(这就是定时器可读事件的本质)。

uint64_t expirations;
read(timer_fd, &expirations, sizeof(expirations));

若不读取，缓冲区会持续累积到期次数，导致后续 epoll_wait误判为"持续就绪"。

为什么检测到定时器文件描述符就绪时，需要通过read来读取定时器文件描述符？

• 清除就绪状态：读取后重置内核缓冲区，避免 epoll_wait 重复触发。
• 获取触发次数：通过读取的整数值，可统计定时器到期次数 (适用于周期性定时器)。
• 避免数据堆积：长期不读取可能导致缓冲区溢出或逻辑错误。

❓上一个问题的补充：什么时候read定时器文件描述符会阻塞?

定时器文件描述符的缓冲区设计为“有数据时触发读就绪”，因此在正常逻辑中，epoll_wait 返回定时器就绪时，缓冲区应已有数据，此时 read 操作应立刻成功。但以下情况可能导致阻塞：

假设定时器到期时，内核触发超时事件并准备向文件描述符的缓冲区写入超时次数(uint64_t 类型数据).

内核检测到定时器到期，将事件标记为就绪并唤醒 epoll_wait。
在写入缓冲区的过程中(如正在更新计数器)，发生线程/进程上下文切换。
用户线程从 epoll_wait 返回后，立即调用 read，但此时内核尚未完成缓冲区数据的写入。

read 操作因缓冲区无数据而阻塞(若文件描述符未设置为非阻塞模式)，或返回EAGAIN(非阻塞模式)。

类比: 多线程环境下“先通知后执行”的竞态，例如生产者-消费者模型中，消费者收到通知但数据尚未生产完毕。

解决方案:设置为非阻塞模式,通过fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) 避免 read 阻塞。

最佳实践

• 非阻塞读取：所有通过 epoll 监听的文件描述符均设置为非阻塞模式。
• 事件处理原子化：在单次 epoll_wait 返回后，批量处理所有就绪事件，避免穿插阻塞调用。

定时器文件描述符的阻塞模式会破坏事件驱动架构的异步性，内核缓冲区的数据读取机制是定时触发的核心逻辑。通过非阻塞模式 + 严格的数据读取，可确保系统的高效性和可靠性。理解这一机制对设计高并发服务（如 Web 服务器、实时交易系统）至关重要。

❓上一个问题的补充：如果不使用timerfd实现定时器，应该怎么实现定时器?

定时器的替代方案

若需避免 read 操作，可结合信号（如 SIGEV_THREAD）或用户态定时器队列（如 libevent 的定时器堆），但需权衡精度和性能。